Personalisierte Medizin

Transkript

1 Personalisierte Medizin Einblicke in das menschliche Genom aus Sicht der Bioinformatik Prof. Dr. Antje Krause FH Bingen

2 Kurzer Ausflug in die Genetik

3 DNA (Desoxyribonukleinsäure) 5 3 CGATGTACATCG GCTACATGTAGC 3 5 Doppelhelix Basen: Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin Basenpaarungen (Wasserstoffbrücken) C G A = T forward Strand ( ) reverse Strand ( )

4 Das menschliche Genom... ist auf 2 * 22 Chromosomen verteilt + X/X oder X/Y liegt im Zellkern ist eng zusammengefaltet wird von speziellen Proteinen (Histonen) zusammengehalten Besteht aus DNA (Desoxyribonukleinsäure)

5 Wie lang ist die DNA in allen unseren Zellen? Länge eines Nukleotids (Base) * Anzahl Nukleotide pro Zelle * Anzahl Zellen 0,34 * 10-9 m * 2 * 3 * 10 9 (Mrd) * m km km Länge der DNA 70mal zur Sonne und wieder zurück!

6 Veränderungen im Genom: Punktmutationen Menschen unterscheiden sich voneinander in kleinen Variationen im Genom (SNPs = Single Nucleotide Polymorphisms, sprich snips ): Person X: Person Y:...CGCTAGGATAGCTCTCTAGGATCGCCTCGATAGAGA......CGCTAGGATAGCTCTCTTGGATCGCCTCGATAGAGA... Aktuell > 100 Mio in der gesamten Menschheit bekannt Machen ca. 90% aller genetischen Variationen im menschlichen Genom aus

7 E. Check, "Patchwork people", Nature 437, , 2005 und sogenannte Strukturelle Variationen (> 1kb und < 3Mb), die komplette Gene und regulatorische Bereiche enthalten können

8 und Genommutationen Veränderung der Zahl der Chromosomen z.b. Trisomie21 3Mb Im Mikroskop sichtbar Karyotyp

9 CCTTCCCCCCATCCCAGGCAGGCTGACAGCGGTCATGTTTCTGCCTACAGCGCCTGCCTATCTCTTTTGAATGTCCTTCTCTAC ACTACTCTGTACTTATGGTGCCAGGTTTCTCTTAAGAATGTCCCCTTTGTCCTTCTTATCAGCATGTAGCCAGCAATATTGTGA CATTTTTACTGCAGAGTGAATGATGACTGGGGCATCTTAAATGGAGTTCTGGGGTGTTTCTTTCTGCATAGGTACCTCTGCAGT AGTAGTTTCCAAAATACTTTTGGTAATTTTTAACCTTAAAGTTAACCTTAAAGTTAAGCTAAGTAAAAGATTTGCATTAAATAT CTAGACCATTTATAAATAAGATACAATACTAAAACATTACTGAAGATAAATAATTCTAGTTTACATACTTTTGGCTACTTATTT TTACAGAGAAACTAAAGATATTTTAGCCCATTAATAAACATGTTTTTGTCTACCACACTGAGAAATTGTACTATGAGGAAACAC ATCCCTCTAGATGTTGGGAGATGGTATACTCATACATTTTCTAACCTACTATAGAATGCTAACATATGACAGTTTATAACTGTC TACTTCCTAGTTTTCTCTGGAAAATAAAAGATTACTAAGTATTAAAATTATAATCAATATGTGTAAATAAAACTACTGGAAATA ATAGAATAACTAGAAACAACTCTATGCAAAGCATGCAAGAAAAGTAGTGCATGTTTTGCAAGTAAAGTAGGACGTATTTTTTAT AAGGAAAACCATACAAAAGATACAAATAAAAAGAGATACCTAGCCTTCCCTGTGTTATATTTGTATGGGTAAAATGTCATGTTT TCAGAAAMANFANGWARDASWORTTCAATGTTCTCCTTATCCATGCTATGTGCCAGTATAGAGTTATGAGTCATAATTCCAATT ATTATTTTAAATGTTGTGCTGGGTGCAGTGGCTCACGTCTGTAATCCCACCACTTTGGGAGGCCTAGGCAGGTGGATCACAAGG TCAGGAGATCGAGAACATCCTGGCTGACATGGTGAAACCCCATCTCTACTAAAAATACAAAAAATTAGCCAGGCGTGGTGGTGG GCACCTGTACTCCCAGCTACTCAGGAGGCTGAGGCAGGAGAATGGCATGAACCAGGGAGGCAGAGCTTGCAGTGAGCCAAGATA GCGCCACTGCACTCCAGCATGGGCAACAGAGCGAGACTCTGTCTCTAAATAAATAAATAAATAAATAAATAAATGTTTTATCCC ACAGAAAAAATCGAATATCCTTGTCAGTTGTGGTATAATGAACTCTCATCAGATCTTTCATCACAGCCATTTCATATTCTTTAT CATTTAGATATTATTTCCCCCTGATGCTTTCCTGAAAGCTCCTGCAATCAGCTACAGGTCAGAATGTTCATCTCCATCACGGGA CTCCCTCTGAGACACACAGAAAAGAGTATGCAAGATAGTCTGGTTATAGGCTTCTGATGATATTGCTTAAATAACTTTAAGACC ATACACTTCGCTCAGTGAAGATCTCCAGAAGTCTGCTTCAGAAATTGATGGGTTCATGACACTGCTAACCCAAGATGCAACAAG ACTGGAATTGATTACATGGTACTGAATGAACTGATGAAAATTGATTATAATTTTATAGCTTTTTGGAGCATTGCTGGTTCTTTA ATGTTCTAGTTTCTGGACTTAAGAAATCTCTTTCTCTTAACCTAACTGTAACATACAATTTAGTAGATTATACTTTTGAAAACA GAAGTGAAGCATTTATCTTTTTTCCCCTGCCTGATTTTTCCAGAATTTTGAAATCCTTACTGAACACTCTTATTTTTACGATGA TATAGTTGTTAGCAAAAGTCCAATAAGAATCTGTTCACCTTGAACAGAGACCTCAGAAATAATGCCGCATATCTACAACCATCT GATCTTTGACAAACCTGACAAAAACAAGCAATGGGGAAAGGATTCCCTATTTAWERBINICHATAAATGGTGCTGGGAAAACTG GCTAGCCATATGTAGAAAGCTGAAACTGGATCCCTTCCTTACACATTATACAAAAATTAATTCAAGATGGATTAAAGACTTACA TGTTAGACCTAAAACCATAAAAACCCTAGAAGAAAACCTAGGCAATACCATTCAGGACATAGGCATGGGCAGGGACTTCATGTT TAAAACACCAAAAACAATGGCAACAAAAGCCAAAATGGACAAATGGGATCTAATTAAACTAAAGAGCTTCTGCACAGCAAAAAA AAACCTACTGTCAGAGTGAACAGGCAACCTACAAAATGGGAGAAAATTTTCACAACCTACTCATCTGACAAAGGGCTAATATCC AGAATCTACAATGAACACAAAGAAATTTACAAGAAAAAAACAAACAACCCCATCAAAAAGTGGGCGAAGGATGTGAACAGACAC TTCTCAAAAGAAGACATTTATGCAGCCAAAAGACATGTGAAGGAATGCTCATCATCATTGGCCATCAGAGAAATGCAAATCAAA ATCACAATGAGACACCATCTCACACCAGTTAGAATGGCGATCATTAAAAAGTCAGGAAACAACAGGTGCTGGAGAGGATGTGGA GAAATAGGAACACTTTTACACTGTTGGTGGGACTGTAAACTAGTTCAACCATTGTAGAAGATGGTGTGGCGATTCCTCAGGGAT

10 CCTTCCCCCCATCCCAGGCAGGCTGACAGCGGTCATGTTTCTGCCTACAGCGCCTGCCTATCTCTTTTGAATGTCCTTCTCTAC ACTACTCTGTACTTATGGTGCCAGGTTTCTCTTAAGAATGTCCCCTTTGTCCTTCTTATCAGCATGTAGCCAGCAATATTGTGA CATTTTTACTGCAGAGTGAATGATGACTGGGGCATCTTAAATGGAGTTCTGGGGTGTTTCTTTCTGCATAGGTACCTCTGCAGT AGTAGTTTCCAAAATACTTTTGGTAATTTTTAACCTTAAAGTTAACCTTAAAGTTAAGCTAAGTAAAAGATTTGCATTAAATAT CTAGACCATTTATAAATAAGATACAATACTAAAACATTACTGAAGATAAATAATTCTAGTTTACATACTTTTGGCTACTTATTT TTACAGAGAAACTAAAGATATTTTAGCCCATTAATAAACATGTTTTTGTCTACCACACTGAGAAATTGTACTATGAGGAAACAC ATCCCTCTAGATGTTGGGAGATGGTATACTCATACATTTTCTAACCTACTATAGAATGCTAACATATGACAGTTTATAACTGTC TACTTCCTAGTTTTCTCTGGAAAATAAAAGATTACTAAGTATTAAAATTATAATCAATATGTGTAAATAAAACTACTGGAAATA ATAGAATAACTAGAAACAACTCTATGCAAAGCATGCAAGAAAAGTAGTGCATGTTTTGCAAGTAAAGTAGGACGTATTTTTTAT AAGGAAAACCATACAAAAGATACAAATAAAAAGAGATACCTAGCCTTCCCTGTGTTATATTTGTATGGGTAAAATGTCATGTTT TCAGAAAMANFANGWARDASWORTTCAATGTTCTCCTTATCCATGCTATGTGCCAGTATAGAGTTATGAGTCATAATTCCAATT ATTATTTTAAATGTTGTGCTGGGTGCAGTGGCTCACGTCTGTAATCCCACCACTTTGGGAGGCCTAGGCAGGTGGATCACAAGG TCAGGAGATCGAGAACATCCTGGCTGACATGGTGAAACCCCATCTCTACTAAAAATACAAAAAATTAGCCAGGCGTGGTGGTGG GCACCTGTACTCCCAGCTACTCAGGAGGCTGAGGCAGGAGAATGGCATGAACCAGGGAGGCAGAGCTTGCAGTGAGCCAAGATA GCGCCACTGCACTCCAGCATGGGCAACAGAGCGAGACTCTGTCTCTAAATAAATAAATAAATAAATAAATAAATGTTTTATCCC ACAGAAAAAATCGAATATCCTTGTCAGTTGTGGTATAATGAACTCTCATCAGATCTTTCATCACAGCCATTTCATATTCTTTAT CATTTAGATATTATTTCCCCCTGATGCTTTCCTGAAAGCTCCTGCAATCAGCTACAGGTCAGAATGTTCATCTCCATCACGGGA CTCCCTCTGAGACACACAGAAAAGAGTATGCAAGATAGTCTGGTTATAGGCTTCTGATGATATTGCTTAAATAACTTTAAGACC ATACACTTCGCTCAGTGAAGATCTCCAGAAGTCTGCTTCAGAAATTGATGGGTTCATGACACTGCTAACCCAAGATGCAACAAG ACTGGAATTGATTACATGGTACTGAATGAACTGATGAAAATTGATTATAATTTTATAGCTTTTTGGAGCATTGCTGGTTCTTTA ATGTTCTAGTTTCTGGACTTAAGAAATCTCTTTCTCTTAACCTAACTGTAACATACAATTTAGTAGATTATACTTTTGAAAACA GAAGTGAAGCATTTATCTTTTTTCCCCTGCCTGATTTTTCCAGAATTTTGAAATCCTTACTGAACACTCTTATTTTTACGATGA TATAGTTGTTAGCAAAAGTCCAATAAGAATCTGTTCACCTTGAACAGAGACCTCAGAAATAATGCCGCATATCTACAACCATCT GATCTTTGACAAACCTGACAAAAACAAGCAATGGGGAAAGGATTCCCTATTTAWERBINICHATAAATGGTGCTGGGAAAACTG GCTAGCCATATGTAGAAAGCTGAAACTGGATCCCTTCCTTACACATTATACAAAAATTAATTCAAGATGGATTAAAGACTTACA TGTTAGACCTAAAACCATAAAAACCCTAGAAGAAAACCTAGGCAATACCATTCAGGACATAGGCATGGGCAGGGACTTCATGTT TAAAACACCAAAAACAATGGCAACAAAAGCCAAAATGGACAAATGGGATCTAATTAAACTAAAGAGCTTCTGCACAGCAAAAAA AAACCTACTGTCAGAGTGAACAGGCAACCTACAAAATGGGAGAAAATTTTCACAACCTACTCATCTGACAAAGGGCTAATATCC AGAATCTACAATGAACACAAAGAAATTTACAAGAAAAAAACAAACAACCCCATCAAAAAGTGGGCGAAGGATGTGAACAGACAC TTCTCAAAAGAAGACATTTATGCAGCCAAAAGACATGTGAAGGAATGCTCATCATCATTGGCCATCAGAGAAATGCAAATCAAA ATCACAATGAGACACCATCTCACACCAGTTAGAATGGCGATCATTAAAAAGTCAGGAAACAACAGGTGCTGGAGAGGATGTGGA GAAATAGGAACACTTTTACACTGTTGGTGGGACTGTAAACTAGTTCAACCATTGTAGAAGATGGTGTGGCGATTCCTCAGGGAT

11 Wie kommt die DNA-Sequenz in den Computer?

12 Sequenziertechniken 1. Genetisches Material liegt im Labor in kleinen DNA- Fragmenten vor 2. Sequenzierautomaten liefern Nukleotidfolge der Fragmente 3. Im Computer wird aus den Fragmenten die komplette DNA- Sequenz wieder zusammengesetzt

13 Vergleichbar mit geschredderten Akten?

14 Leider nicht warum? DNA ist kein natürlich-sprachlicher Text es gibt keine Satzzeichen, Leerzeichen, Absätze usw. niemand kennt den Inhalt Fragmente sind sehr kurz (25 bis 1200 Nukleotide) enthalten viele Wiederholungen (repetitive Elemente) haben keine Richtungsinformation sind fehlerhaft...

15 Next Generation Sequencing (NGS) Second Generation Sequencing, Pyrosequencing, Sequencing-by-Hybridization, Sequencing-by-Synthesis Liefert mehrere Terabyte an Rohdaten pro Experiment Sequenzieren ist damit kostengünstig und schnell geworden einige Anbieter: Roche 454 Genome Sequencer System Illumina Genome Analyzer Applied Biosystems SOLiD System Pacific Biosciences Oxford Nanopore

16 Wetterstrand KA. DNA Sequencing Costs: Data from the NHGRI Large-Scale Genome Sequencing Program Available at: Accessed November 18, 2015

17 Verfügbar seit Mai 2015 Starter Pack für 1.000$: Gerät + FlowCell + 3 * Chemikalien Jedes weitere Experiment: 99$ Chemikalien + FlowCell (270$-900$, je nach bestellter Anzahl)

18 Und wozu dieser ganze Aufwand?

19 Personalisierte Medizin Idee: Wenn das Genom jedes einzelnen Menschen bekannt ist, kann jeder individuell untersucht und behandelt werden Ziel: Nebenwirkungen von Medikamenten minimieren, Krankheiten gezielter und effektiver erkennen und behandeln

20 Personalisierte Medizin: Vorsorge Menschen unterscheiden sich genetisch voneinander einzelne Varianten können das Risiko für eine Erkrankung erhöhen das Wissen über persönliche genetische Varianten kann bei der persönlichen Lebensführung berücksichtigt werden und so das Risiko einer Erkrankung verringert werden z.b. sollte man bei einem erhöhten Risiko für Brustkrebs nicht rauchen

21 Personalisierte Medizin: Diagnose es gibt Krankheiten, die mit herkömmlichen diagnostischen Mitteln nicht eindeutig festgestellt werden können eine genetische Untersuchung kann hier Klarheit verschaffen gleiches gilt für unterschiedliche Stadien einer Krankheit Convincing An Insurance Company To Pay For Sequencing A Child s DNA von Maria Konovalenko s-dna/

22 Personalisierte Medizin: Diagnose die Ursache einer Krankheit ist nicht immer in unserem Genom zu finden eine Untersuchung kann auch genetisches Material von Viren, Bakterien, Pilzen usw. finden z.b. können rheumatische Erkrankungen durch Virusinfektionen verursacht sein oder könnte die Ursache von Alzheimer eine Pilzinfektion sein (Different Brain Regions are Infected with Fungi in Alzheimer s Disease, Pisa et al., Scientific Reports 5, Article number: (2015))

23 Personalisierte Medizin: Behandlung die Wirkrate eines Medikamentes gibt an, bei wieviel Prozent der behandelten Personen das Medikament die gewünschte Wirkung zeigt sie liegt üblicherweise bei 40-60%, im besten Fall bei 80% Medikation kann entsprechend der genetischen Voraussetzungen gezielter eingesetzt werden momentan noch unrentabel für Pharmafirmen Blockbuster werden von mehr Menschen eingenommen und bringen damit höhere Gewinne

24 Ein Medikament nur für Afroamerikaner Juni 2005 von der FDA (Food and Drug Administration) in den USA zugelassen wirkt gegen durch Bluthochdruck bedingte Herzinsuffizienz wirkte in Klinischen Studien besser bei Afroamerikanern, da diese häufiger unter dieser Krankheitsform leiden löste Diskussion um rassistische Medizin aus

25 Wer berät Patienten? Direct-to-Consumer-Testing (DTC): bei 23andme gehen die Ergebnisse direkt an den Kunden bei anderen Anbietern muss ein Arzt an der Bestellung beteiligt sein Gendiagnostikgesetz (seit in Kraft): Arztvorbehalt: gendiagnostische Untersuchungen dürfen in D nur von einem dafür qualifizierten Arzt vorgenommen oder veranlasst werden

26 Wer hat Zugriff auf die Daten? nur der Patient und der beratende Arzt (siehe Gendiagnostikgesetz) Versicherungsgesellschaften dürfen Ergebnisse bereits durchgeführter Tests nicht verlangen (Ausnahme: sehr hohe Versicherungssumme, z.b. > ) Arbeitgeber dürfen Ergebnisse bereits durchgeführter Tests nicht verlangen (Ausnahme: schwere Erkrankungen durch Arbeit, mit genetischer Ursache) Kritik (der Versicherer): Problem der Antiselektion, d.h. wer nicht bereit ist, seine Daten zu offenbaren, hat offensichtlich etwas zu verbergen

27 Wem gehört mein Genom? Was ist eigentlich ein Krankheitsgen? Was heißt eigentlich krank? Reicht es, eine Variante in einem Gen zu haben? Was tue ich, wenn ich ein Krankheitsgen habe? Was ist mit dem Datenschutz? Was, wenn Daten in der Cloud ausgewertet werden? Was, wenn die Firma in einem anderen Land sitzt? Was passiert mit meinem biologischen Material im Labor? Oder sollten alle ihr Genom einfach ins Internet stellen????

28 Und was nützt mir das?

29 Mai 2007 Firma: Foto: DNA Google Logo At Google Kirkland by Flickr Ziel: Entwicklung einer Suchmaschine für persönliche genetische Daten Zugriff geplant für Individuen und zu Forschungszwecken Google hat 3,9 Mio $ investiert

30 Wem gehören meine SNPs? Mir! (und 23andme)

31 Wem gehören meine SNPs? Mir! (und 23andme) Analyse von > Markern darunter ca SNP inklusive Informationen zur Abstammung Genotypisierung, keine Sequenzierung!

32 Bestellung bei 23andme Di, Online bestellt Fr, Testkit angekommen Sa, Probe verschickt Mi, Empfangsbestätigung Fr, Ergebnisse Online

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36 My Health / Meine Gesundheit 1. Disease Risk 2. Carrier Status 3. Drug Response 4. Traits 5. My Ancestry 1. Krankheitsrisiken 2. Überträger 3. Reaktion auf Medikamente 4. Eigenschaften / Merkmale 5. Meine Abstammung

37 opensnp

38 Und nun? Warum habe ich es getan? Welche Konsequenzen ziehe ich daraus? Was werde ich an meinem Leben ändern? Gab es Überraschungen? Hätte ich es auch getan, wenn ich 30 Jahre jünger wäre?